CN101542420A - 通过手持式指向设备进行数据处理的3d控制 - Google Patents
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Abstract
一种手持式指向设备，提供相对于其主轴具有方向特征的辐射。该辐射由处于不同位置的至少两个检测器来检测。这能够确定主轴的方向和沿着其主轴的设备移位从而用于在监视器的屏幕上呈现的物体的3D控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括手持式指向设备的数据处理系统，该手持式指向设备提供具有方向特征的辐射以用于根据该方向特征产生对系统的输入。本发明还涉及一种通过该指向设备进行数据处理的用户控制的方法。
背景技术
美国专利5,949,402公开了一种在特定空间结构中的具有四个LED(发光二极管)的指向设备。指向设备上的透镜将由每个特定LED发射的光沿着特定方向折射，该特定方向不同于其它LED的光被折射的方向。光检测器接收由指向设备发出的光束。设备的指向角度(即设备相对于接收器的相对方向)可采用LED的脉冲幅度的比率来计算。随后这些指向角度可被用于在显示屏幕上指向光标。
美国专利5,023,943公开了一种具有不同辐射模式的三个LED的指向设备。中间位置的LED是基准LED。其未被遮蔽并且具有相对平坦的光强度轮廓。剩余的两个LED的第一个在第一方向上被部分遮蔽。因此，该LED具有在该第一方向上的辐射模式，该模式不同于基准LED和剩余的两个LED中第二个的模式。第二个LED在垂直于第一方向的第二方向上被部分遮蔽。因此，该第二LED具有在第二方向上的辐射模式，该模式不同于基准LED和第一个LED的模式。接收来自指向设备的光的接收器基于从基准LED和第一LED接收的光强度差异以及从基准LED和第二LED接收的光强度差异来确定指向设备的方向。
美国专利5,627,565公开了一种空间坐标检测设备，其中提供用于检测从光源发出的光的检测部件，从而允许检测发光部件和检测部件之间的相对角度并因而允许将检测设备应用到输入装置中。检测部件设有具有分成四份的光传感部分的光传感元件。在发光部件中，可区别的光从两个光源发出。因此发出的光通过孔径被调节并且作为独立的、正方形的光斑施加到光传感元件的光敏感表面上。通过计算分成四分的光传感部分之间的检测输出的差异，可以确定正方形光斑的中心。发光部件和检测部件相对于Z轴的相对旋转角度可通过计算连接两个中心的线的X-Y正交坐标上的倾角来确定。发光部件和检测部件可分别置于手持操作构件和固定装置上，反之也可行。还可以确定在Z轴方向上的发光部件和检测部件之间的距离L。该信息用于防止操作者感到在操作构件离屏幕很近的情况下与其远离屏幕的情况下在操作触感上存在差异。即如果光标仅基于操作构件在x和y方向上的倾角在屏幕上移动，那么在操作构件离屏幕很近的位置在x方向上倾斜的情况与操作构件在离屏幕足够远的位置在x方向上以相同角度倾斜的情况之间，光标的位移不会有差异。因此，当操作构件在远离屏幕的位置倾斜时，会产生一种光标在屏幕上运动不够的感觉。从这个角度来说，如果通过增加发光部件和检测部件之间的距离L的方式来进行校正，则光标在屏幕上的移动距离会变得相对于操作构件在x或y方向上的倾斜要更长，而考虑到已计算的距离L，那么可以补偿操作构件靠近屏幕的情况与其远离屏幕的情况之间的操作触感上的差异。
发明内容
已知的系统根据指向设备相对于监视器屏幕的方向来实现二维用户输入，从而控制屏幕上的光标位置。已知的系统不能实现由于指向设备沿着其主轴移位，即设备基本上朝向或远离屏幕的移位而引起的用户输入，从而控制呈现在监视器屏幕上的物体在除了屏幕平面内自由度之外的自由度。
因此本发明提供了一种数据处理系统，包括：手持式指向设备，其用于提供相对于设备的主轴具有方向特征的辐射模式；用于检测辐射的检测装置；以及连接到检测装置的计算装置。计算装置基于指向设备的可能位置的第一曲线和指向设备的其它可能位置的第二曲线来确定表示指向设备沿其主轴移位的指示，并且使用该指示作为用户输入用于数据处理的用户控制。
基于检测的辐射的方向特征，可确定指向设备的方向。在没有进一步信息时，设备的位置不能被确定为对应于落在曲线上的该方向的可能位置。在与其主轴平行的方向上移动指向设备会产生新的位置上的一条或多条其它的曲线。实际上，指向设备将位于屏幕平面所限定的半个空间的相对较小的扇区内。使用该假设能够计算位移并且使用该数量作为用户输入。注意到，英文中的术语“曲线”覆盖以平滑、连续方式从直线偏离的线的概念，以及以平滑连续方式从平面偏离的表面的概念。
本发明还涉及一种装置，其包括：检测装置，其用于检测来自手持式指向设备的辐射，该辐射具有相对于指向设备主轴的方向特征的辐射模式；以及连接到检测装置的计算装置。该计算装置可被操作为：基于指向设备的可能位置的第一曲线和指向设备的其它可能位置的第二曲线来确定表示指向设备沿其主轴位移的指示；并且使用该指示作为用户输入用于数据处理的用户控制。这种装置是可以与提供具有方向特征的辐射的指向设备单独开发的商业实体。
本发明还涉及计算装置，其具有用于接收表示来自手持式指向设备的辐射的信息的输入端，其中辐射具有相对于指向设备的主轴具有方向特征的辐射模式，以及一输出端。该计算装置还可被操作为：基于指向设备的可能位置的第一曲线和指向设备的其它可能位置的第二曲线来确定表示指向设备沿其主轴位移的指示；以及在输出端提供表示用于数据处理的用户控制的用户输入的指示。该计算装置是可独立于检测装置和指向设备来商业开发的实体，例如作为售后市场而加入。该计算装置可实现为电子设备，该电子设备安装在例如PC、机顶盒或电视机、或专业信息处理系统上以用于方便用户与例如呈现在监视器上的虚拟物体之间的交互。该计算装置还可实现为软件，例如可下载到PC上的软件。
其它特征在从属权利要求中讨论。
为了完整性，提及到以下公开文献并将其通过引用合并于此：
美国专利7,102,616公开了一种手持式遥控设备，其允许用户选择显示屏幕上的光标的位置和运动，或者通过在三维空间旋转或平移输入设备来选择其它可选择功能。从第一位置的固定信标发出信号并且由第二位置的遥控设备接收。遥控设备在两个非平行轴上检测信号的入射方向和遥控设备的选择轴之间的角度位移的分量。光学结构比如圆柱透镜被用于将信号的部分投射到检测器上从而测量角度位移。对应于检测的角度位移的信息被传输到控制盒，该控制盒响应于传输的信息控制显示屏幕上光标的位置和运动。在这里，所述遥控器是检测器并且必须具有随其携带的数据处理工具来产生数据，于是该数据被传输到系统的固定部分作为用户输入。
美国专利6,724,368(飞利浦电子有限公司)公开了一种用于控制监视器屏幕上光标运动的系统和方法。该系统具有至少一个遥控单元，其具有用于遥控监视器屏幕上的光标运动方向的多个按键。该系统还具有：至少一个发光元件，其用于发射指示由遥控单元产生的信号的光；光检测器，其用于提取从遥控单元依次传输的光运动；以及控制单元，其用于对应于从遥控单元提取的光运动来显示光标在监视器屏幕上的运动位置。该系统适用于阻止光标随着遥控单元的按键释放产生的位置移动。如果从遥控单元传输的光线运动朝相反方向改变，那么光标在监视器屏幕上的移动也可被阻止。
附图说明
通过示例并参考附图进一步详细解释本发明，其中：
图1是本发明的数据处理系统的示图；
图2是示出确定本发明的系统中指向设备的方向的示图；
图3和4是示出确定本发明的系统中指向设备沿着其主轴的位移的示图；
图5是用于图3和4的情况中的数学公式表；
在所有附图中，相似或对应的特征通过相同的附图标记来表示。
具体实施方式
图1是本发明中的系统100的示图。系统100具有可提供辐射(例如可见光、红外光、无线电波、声波)的指向设备102。该辐射具有相对于固定到设备102的坐标系统的方向特性104。即在特定位置接收的辐射可指示设备102(例如其主轴)相对于该位置的方向。
在例如美国专利5,949,402和2006年3月15日提交的未公开欧洲专利申请no.6111206(代理人签号PH004968EP1)中描述了这种指向设备的示例，其二者在此引入作为参考。欧洲专利申请no.6111296中的指向设备包括沿着第一轴的两个光源以及沿着与第一轴垂直的第二轴的另外两个光源。优选地，光源传输调制的信号。这可以通过使用频率复用(例如对每个光源使用不同闪光频率)、编码复用(例如不同的正交编码)、波长复用(例如不同的波长)或者时分复用技术(例如不同的闪光时间)来实现。指向设备与屏幕附近的光检测器一起使用。提供计算装置来确定用户正在定位设备相对于屏幕的方向。所有光源基本指向沿着与第一和第二轴垂直的第三轴的相同方向。指向设备包括遮蔽装置，用于部分地遮蔽由光源发出的光。遮蔽通过这样的方式来进行：其在指向设备的主轴方向偏离指向设备和检测器之间的直线的情况下在检测器接收的光中产生差异。这些差异指示这种偏离，从而可确定指向方向。随后该方向及其改变可被用于控制光标在屏幕或监视器上的运动或者从图形用户界面的菜单中选择等等。该欧洲专利申请no.6111205中的系统，当与上述指向设备协作时，仅需要单个的检测器用于确定指向方向。
本发明的系统100包括检测装置(在此是检测器106和108)，其可操作来检测辐射。通过辐射的方向特征104，检测器106可相对简化并且系统100能够确定设备102相对于检测器106和108中任意单独的一个的方向，如在欧洲专利申请no.6111205中所述。检测器106接收由设备102相对于检测器106的方向确定的辐射104，以及检测器108接收由设备102相对于检测器108的方向确定的辐射104。随后该方向信息可被用于确定设备102在操作使用中在监视器屏幕上指示的位置。随后方向的改变被用于定位屏幕上的物体，例如光标。系统100还包括计算装置111，其用于处理来自检测器106和108的信息并且控制呈现在监视器110上的物体。计算装置可包括例如PC、机顶盒、用于监视器的专用电子电路等。因此，系统100可被操作为：当由用户操控时，根据设备102的方向来在屏幕110的平面上实现位置控制。方向或其中的改变充当数据输入。此外，由于本发明中存在第二检测器，系统100还使得用户在操作使用以下所述的本发明时，能够根据设备102在基本上沿着设备102的主轴112的方向上或基本上垂直于监视器屏幕110的方向上的位置变化来输入数据。
图2是示出系统100的结构的几何形状的示图。检测器106接收来自设备102的相对于设备102的主轴112成角度β发出的辐射。检测器108接收来自设备102的相对于其主轴112成角度α发出的辐射。因此，可确定设备102的主轴112相对于检测器106和108的方向。然而，不可能确定设备102相对于检测器106和108的位置。为了确定它，考虑等角点轨迹定理(在Euclid’s elements，bookIII(欧几里德原理，第三本)中命题20的结果)。该定理表示：给定线段AB，使得角APB具有恒定值的点P的轨迹是经过点A和B的圆弧。通常，如果AB是圆的任意的弦，则对于圆上除了奇点A和B本身之外的任意点P来说，角APB是恒定的。注意到，如果弦不是圆的直径，则恒定角度在弦的两侧将会不同。因此，由检测器106和108以及设备102的位置限定的曲线114指示其可假设具有角度α的恒定值和角度β的恒定值的方向的设备102的可能位置。注意，曲线114被描述为一段圆弧。该圆弧表示可能位置的曲面和检测器106和108和设备102的位置限定的平面之间的相交。位于由设备102、检测器106和108的位置限定的平面之外的第三检测器(未示出)可被用于建立三个曲面，每个不同的曲面与不同的检测器对相关联，其表示设备102的可能位置。三个曲面的交点给出了设备102位置的两个方位。视线限制允许丢弃屏幕110后面的方位。在本文的剩余部分中，术语“曲线”和“圆弧”是可相互替代的。
在实际环境下，屏幕110是监视器并且设备102被用于定位呈现在监视器110上的光标，用户典型地在远离监视器110的位置(是监视器110的特征尺寸的几倍)，设备102的主轴112或多或少在其中心与屏幕110以向右的角度相交。因此，假设设备102在操作使用中被放置使得主轴112与系统100的光轴重合是合理的。因此，角度α和β之间的差异以及极性的差异可被用于确定设备102和屏幕110之间的距离改变。注意至少需要两个检测器用于此。如果仅使用一个检测器，则在接收光中的改变可被系统100解释为设备102的方向改变。这种由于推进设备102朝向屏幕110或将其拉离屏幕110同时保持设备102的方向所引起的的距离改变，现在被用作数据输入，参考图3对其进行解释。因此，除了对屏幕110的平面位置的一维或二维控制之外，还提供另一种程度的控制，例如选择呈现在屏幕110上的多个重叠窗口中特定的一个。例如输入设备提供三维控制，参见例如飞利浦电子公司的美国专利US5,784,052，其在此整体引入作为参考。
图3是示出当检测器106和108记录由角度α的恒定值和角度β的恒定值限定的设备102的方向时，设备102的可能位置的圆弧114。现在假设设备朝向屏幕110，即基本上沿着主轴112的方向移动一段距离，其与设备102和屏幕110之间的距离相比相对更短。目前检测器106和108可记录设备102的主轴112的方向的小改变。现在一组可能的新位置将由圆弧116表示，其半径和中心已经相对于圆弧114的半径和中心改变。限定圆弧116的圆由该圆的较低部分的虚线来表示从而与限定圆弧114的圆更清楚的区别开。目前，考虑落在由线118和120限定的扇区中的典型可能位置，即与到屏幕110的距离相比相对更靠近在屏幕110的中心垂直于屏幕110的轴的位置。注意到，在该扇区中，圆弧114和116之间的距离在一级近似上是恒定的。圆弧114和116之间的距离的变化在对着与线118和120之间的角度相似的角度并且不覆盖第一次提及的扇区的另一扇区中改变更多。给定设备102的主轴相对于任意检测器106和108的方向，系统100能够确定圆弧114的半径和中心。在新位置上，系统100能够确定圆弧116的半径和中心。半径之间的差异表示距离的改变，并且因此可表示相对于屏幕110通过推进或拉回设备102产生的对系统100的输入。
图4和5示出本发明的实施例。图4是由检测器106和108的位置和设备102的可能位置限定的圆弧122，所述可能位置由记录的方向角度给出。位置和角度完全限定了弧形122。说明以下特征。设备102和屏幕110之间的距离由“d”表示。假设对于如上所述用于在由线118和120限定的扇区内考虑的位置“d”的固定值足够精确。弧形122的半径由“R”表示。检测器106和108之间的固定距离由“2s”标记。圆弧122的中心“C”和屏幕110之间的距离由“p”表示。图5给出了用于推导半径“R”的改变和距离“d”的改变之间关系的数学表达式。公式(1)表示“d”等于“R”和“p”的和。公式(2)根据毕达哥拉斯定理给出了“s”、“R”和“p”之间的关系。结合公式(1)和(2)给出了公式(3)，其表示“R”与“s”和“d”的关系。如果“d”的值变为“d-ε”，其中“ε”远远小于“d”，并且其被代入公式(3)，那么半径的变化符合公式(4)，具有“ε”阶的精确度。
作为实际的例子，考虑“s”的值是0.35m并且“d”的值大于1.5m。那么半径的改变“ΔR”(即系统100根据位移“ε”确定的半径差异)与位移“ε”之间的比率大概是0.5。因此，测量半径的改变给出了对设备102的位移大小的指示。
Claims (15)
1.一种数据处理系统(100)包括：
手持式指向设备(102)，用于提供辐射模式，该辐射模式具有相对于设备的主轴(112)的方向特征(104)；
检测装置(106，108)，用于检测辐射；
计算装置(111)，连接到检测装置并且可操作为：
基于指向设备的可能位置的第一曲线(114)和指向设备的其它可能位置的第二曲线(116)来确定表示指向设备沿其主轴移位的指示，并且
使用该指示作为用户输入用于数据处理的用户控制。
2.如权利要求1所述的系统，其中计算装置可操作为确定主轴相对于检测装置的方向作为进一步的用户输入以用于数据处理的进一步用户控制。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中：
计算装置包括用于连接到监视器(110)的输出端；以及
数据处理包括被呈现在监视器屏幕上的物体的移动。
4.一种设备，包括：
检测装置(106，108)，用于检测来自手持式指向设备(102)的辐射，该辐射具有一辐射模式，该辐射模式具有相对于指向设备的主轴(112)的方向特征(104)；
计算装置(111)，连接到检测装置并且可操作来：
基于指向设备的可能位置的第一曲线(114)和指向设备的其它可能位置的第二曲线(116)来确定表示指向设备沿其主轴位移的指示；并且
使用该指示作为用户输入用于数据处理的用户控制。
5.如权利要求4所述的设备，其中计算装置可操作为确定主轴相对于检测装置的方向作为进一步的用户输入以用于数据处理的进一步用户控制。
6.如权利要求4或5所述的设备，其中：
计算装置包括用于连接到监视器(110)的输出端；以及
数据处理包括被呈现在监视器屏幕上的物体的移动。
7.一种计算装置(111)包括：
输入端，用于接收表示来自手持式指向设备(102)的辐射的信息，其中所述辐射具有一辐射模式，该辐射模式具有相对于指向设备的主轴(112)的方向特征(104)；以及
输出端；
其中计算装置可操作为：
基于指向设备的可能位置的第一曲线(114)和指向设备的其它可能位置的第二曲线(116)来确定表示指向设备沿其主轴移位的指示；并且
在输出端提供表示用户输入以用于数据处理的用户控制的指示。
8.如权利要求7所述的计算装置，可操作为确定主轴的方向作为进一步的用户输入以用于数据处理的进一步用户控制。
9.如权利要求7或8所述的计算装置，其中数据处理包括被呈现在监视器(110)屏幕上的物体的移动。
10.一种软件，包括用于执行计算装置(111)的计算机可读指令，该计算装置(111)具有：
输入端，用于接收表示来自手持指向设备(102)的辐射的信息，其中所述辐射具有一辐射模式，该辐射模式具有相对于指向设备的主轴(112)的方向特征(104)；以及
输出端；
其中计算装置可操作为：
基于指向设备的可能位置的第一曲线(114)和指向设备的其它可能位置的第二曲线(116)来确定表示指向设备沿其主轴位移的指示；并且
在输出端提供表示用户输入以用于数据处理的用户控制的指示。
11.如权利要求10所述的软件，其中计算装置可操作为确定主轴的方向作为进一步的用户输入以用于数据处理的进一步用户控制。
12.如权利要求10或11所述的软件，其中的数据处理包括被呈现在监视器(110)屏幕上的物体的移动。
13.一种通过手持式指向设备(102)的操作实现数据处理的用户控制的方法，该设备(102)提供一辐射模式，该辐射模式具有相对于设备的主轴(112)的方向特征(104)，该方法包括：
检测该辐射；
基于指向设备的可能位置的第一曲线(114)和指向设备的其它可能位置的第二曲线(116)来确定表示指向设备沿其主轴位移的指示；并且
使用该指示作为用户输入以用于数据处理的用户控制。
14.如权利要求13所述的方法，包括确定主轴相的方向作为进一步的用户输入以用于数据处理的进一步用户控制。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中数据处理包括被呈现在监视器(110)屏幕上的物体的移动。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101807115A (zh) * | 2010-04-07 | 2010-08-18 | 友达光电股份有限公司 | 交互式立体显示系统以及距离计算方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090923 |